Движение, его причина и направление
Движение – это изменение чего-либо. Уже на эмпирическом уровне видно, что природа как множество естественных явлений – это не нечто застывшее и неизменное, а, наоборот, то, что находится в процессе постоянного движения. Смена дня на ночь и времен года, течение воды в реках и осадки, вращение планет вокруг Солнца и возникновение новых звезд – вот только некоторые факты, на основании которых можно говорить, что в природе все время происходят изменения.
Констатация факта постоянного изменения всего нашло свое выражение уже в античности в известном изречении Гераклита о том, что «все течет, подобно реке»[51]. Эмпирическое наблюдение требует соответствующего теоретического объяснения, главным содержанием которого являются ответы на следующие вопросы: 1) Почему происходит движение? 2) Как связаны между собой разные виды движения? 3) Существует ли общее направление изменений?
Со времен античности и до Нового времени объяснение движения строилось, с одной стороны, на основе обыденных наблюдений, а с другой, – на основе таких антропоморфных предпосылок, как представление о целесообразности всего и об идеальном как объективно-субстанциональном.
В частности, согласно тому же Гераклиту, «все возникает в силу противоположности. … Космос … рождается из огня и снова сгорает дотла через определенные периоды времени, попеременно в течение совокупной вечности, происходит же это согласно судьбе. Та из противоположностей, которая ведет к возникновению космоса, называется войной и распрей, а та, что – к сгоранию – согласием и миром, изменение – путем вверх-вниз, по которому и возникает космос. Сгущаясь, огонь увлажняется и, сплачиваясь, становится водой; вода, затвердевая, превращается в землю: это путь вниз. Земля, в свою очередь, снова тает, из нее возникает вода, а из воды все остальное»[52].
Cогласно физическим представлениям Аристотеля (сохранявшим свое значение до конца эпохи Возрождения), каждое тело стремится к своему месту, причем направление и скорость движения последнего зависят от того материала, из которого оно состоит. «Легкие» тела (например, огонь) стремятся к верху, а «тяжелые» (например, камни) – к низу. Достигнув своего «естественного» места, тело приходит в состояние покоя, поэтому для того, чтобы оно вновь стало двигаться, нужен движитель. Все на Земле движется, в конечном итоге, в результате действия некоего космического перводвигателя, который, сам, будучи идеальным, вечно вращается по кругу. Логика этого рассуждения такова: круговое движение – зримый символ бесконечного, т.е. вечного; перводвигатель идеален, а идеальное – вечно; значит, вечный идеальный перводвигатель вечно движется по кругу, как бы передавая силу своего движения на Землю; земное движется также и потому, что оно стремится к перводвигателю как к совершенству[53].
Физические представления о «естественности» покоя и «насильственности» движения в Средние века часто использовались в рамках т.н. «естественной теологии», где на их основе пытались строить естественнонаучное доказательство бытия бога (перводвигатель это и есть бог).
В Новое время антропоморфизм в физике был преодолен, и в результате теоретических и экспериментальных исследований стало понятно, что покой – не естественное и не абсолютное состояние тел, а движение не всегда насильственно. В частности, согласно первому закону классической механики Ньютона движение и покой есть равновероятные состояния и любое тело вечно движется или покоится до тех пор, пока не испытает противодействия со стороны других сил.
Открытие гравитационного взаимодействия как притяжения (закон всемирного тяготения, XVII в.) и электромагнитного взаимодействия как притяжения и отталкивания (закон Кулона о взаимодействии точечных электрических зарядов, XVIII в.) в значительной мере способствовало утверждению общего представления о том, что движение – это внутреннее свойство материи, т.е. идеи о том, что движение – это самодвижение материи. Французский философ Поль Анри Гольбах (1723 – 1789) выразил эту характерную для XVIII в. мысль следующим образом: «Спросят нас: откуда эта природа получила свое движение? Мы ответим, что от самой себя, ибо она есть великое целое, вне которого ничего не может существовать. Мы скажем, что движение – это способ существования, необходимым образом вытекающий из сущности материи; что материя движется благодаря собственной энергии; что она обязана своим движением внутренне присущим ей силам»[54].
Согласно современным физическим представлениям, все множество наблюдаемых движений физических объектов в действительности представляет собой проявление четырех видов фундаментальных взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого ядерных.
Гравитационное взаимодействие обусловлено наличием у тел массы, и оно доминирует в мегамире. Закон всемирного тяготения является формальным выражением условий и величины этого взаимодействия. Электромагнитное взаимодействие обусловлено специфическим свойством ряда элементарных частиц, которое называется электрическим зарядом. Оно играет ведущую роль в макро- и микромире вплоть до расстояний, превосходящих размеры атомных ядер. Благодаря электромагнитному взаимодействию существуют атомы и молекулы и происходят химические превращения вещества. Ядерные взаимодействия проявляются лишь на расстояниях, сравнимых с размером атомного ядра. Все четыре типа фундаментальных взаимодействий весьма несхожи между собой (в частности, гравитационное взаимодействие – это только притяжение, а электромагнитное существует как притяжение и отталкивание) и обусловлены существенно разными механизмами. Тем не менее, в рамках теоретической физики существует вопрос о возможности построения единой теории всех фундаментальных взаимодействий. Тем более что в результате экспериментальных исследований взаимодействий элементарных частиц в 1983 г. было обнаружено, что при больших энергиях столкновения элементарных частиц слабое и электромагнитные взаимодействия не различаются и их можно рассматривать как единое электрослабое взаимодействие.
В современных естественных науках, а также в философии принято говорить об уровнях организации материи (выделяют физический, химический, биологический уровни организации), классификация которых основана на выделении соответствующих видов движения материи. В частности, движение материи на физическом уровне ее организации – это рассмотренные нами 4 фундаментальных взаимодействия; движение на химическом уровне – превращения веществ; на биологическом – обмен веществ внутри живого организма. Названные уровни организации материи представляют собой последовательные формы усложнения последней, при этом каждый следующий уровень не отделен от предыдущего непроходимой гранью, а является результатом его естественного развития. В частности, органические вещества могут возникать не только вследствие жизнедеятельности биологических организмов, но также и без них – в результате синтеза неорганических. В 1953 г. американский химик С. Миллер экспериментально доказал возможность абиогенного синтеза органических соединений из неорганических. Пропуская электрический разряд через смесь неорганических соединений, он получил органические кислоты.
Проблема направления движения, понятая в предельно общем смысле, может быть интерпретирована как теория тепловой смерти Вселенной (регресс) и как теория самоорганизации (прогресс).
Гипотеза о тепловой смерти Вселенной – это следствие второго начала термодинамики. Одним из первых эту гипотезу в середине XIX века высказал немецкий физик Рудольф Клаузиус (1822 – 1888) на основе толкования им второго начала термодинамики. Из второго начала следует, что на макроскопическом уровне существуют направленные и необратимые физические процессы. Для того чтобы это понять, рассмотрим следующий пример. Допустим, мы приносим в комнату только что вскипевший чайник и наливаем из него в стакан воду. Понятно, что температура воды в чайнике значительно выше температуры окружающей среды. Пусть температура воды 100 градусов, а температура в комнате 18 градусов. Что произойдет потом? Очевидно, вода постепенно остынет, а воздух немного нагреется. В конечном итоге температура воды и воздуха сравняется и будет, допустим, 18,5 градусов, то есть наступит термодинамическое равновесие. Возможно ли развитие событий в обратном направлении, когда чайник с водой начнет отбирать тепло из воздуха и в результате опять нагреется, а воздух, соответственно, остынет? Чисто теоретически да, но реальная вероятность этого близка к нулю.
Наш мир можно рассматривать как гигантскую термодинамическую систему, которая находится в неравновесном состоянии. Энергия сконцентрирована главным образом в горячих звездах и постепенно мигрирует в гораздо более холодное межзвездное пространство. Все имеющиеся двигатели оказываются работоспособными, в конечном итоге, за счет существования указанной глобальной неравновесности. Поэтому вполне естественными является вопрос о перспективах, связанных со стремлением глобальной системы к термодинамическому равновесию.
Согласно Клаузиусу, энтропия Вселенной стремиться к максимуму. Из этого следует, что во Вселенной, в конце концов, все виды энергии должны перейти в энергию теплового движения, которая равномерно распределится по всему веществу Вселенной. После чего в ней прекратятся все макроскопические процессы или наступит «тепловая смерть»[55].
Солнечная система, например, может рассматриваться как замкнутая неравновесная термодинамическая система. Энергия здесь главным образом сосредоточена на Солнце. Более 95% используемой человеком энергии – это энергия Солнца[56]. Очевидно, если оно перестанет снабжать нас энергией, и мы израсходуем все ее запасы, то никакая работа окажется невозможной[57].
Таким образом, если и весь окружающий мир действительно считать замкнутой системой, к которой применимы выводы классической термодинамики, то при достижении равновесия он должен представлять собой однородное тело с постоянной температурой, плотностью вещества и излучения, в котором не будет возможно никакое направленное преобразование энергии[58].
Основные возражения против гипотезы тепловой смерти Вселенной следующие: 1) Вселенная не является изолированной системой. 2) Почему Вселенная, существующая неограниченный период времени, до сих пор не достигла состояния термодинамического равновесия?
Долгое время существовало представление, что способностью к самоорганизации обладают только биологические объекты и системы. После появления компьютеров, самообучающихся программ и возникновения робототехники стало понятно, что искусственные объекты тоже могут эволюционировать. Относительно недавно выяснилось, что способностью к самоорганизации могут обладать и объекты неживой природы, возникшие естественным путем без участия человека. В частности, в физике известны феномены образования устойчивых вихрей в нестационарных потоках жидкостей и газов; возникновение упорядоченного излучения в лазерах; образование и рост кристаллов. В химии – концентрационные колебания в реакции Белоусова – Жаботинского.
Необходимость и законы самоорганизации изучает синергетика. Термин «синергетика» предложил в начале 70-х гг. XX в. немецкий физик Герман Хакен (род. 1927 г.). Большой вклад в развитие теории самоорганизации внес бельгийский и американский физик Илья Пригожин (1917 – 2003). В настоящее время синергетика – это междисциплинарное направление научных исследований, предмет которого – общие закономерности самоорганизации в природных и социальных системах.
Для самопроизвольного возникновения более упорядоченных структур из структур менее упорядоченных необходимо сочетание следующих условий:
- они могут образовываться только в открытых системах[59]. Для их возникновения обязателен приток энергии извне, компенсирующий потери и обеспечивающий существование упорядоченных состояний;
- упорядоченные структуры возникают в макроскопических системах, то есть системах, состоящих из большого числа атомов, молекул, клеток и т.д. Упорядоченное движение в таких системах всегда носит кооперативный характер, так как в него вовлекается большое число объектов.
Следует особо подчеркнуть, что самоорганизация не связана с каким-либо особым классом веществ. Она существует лишь при особых внутренних и внешних условиях системы и окружающей среды.
Рассмотрим простейший пример самоорганизации – ячейки Бенара[60]. Структурирование (т.е. организацию) первоначально однородной жидкости можно наблюдать при возникновении конвекции (перемешивании ее слоев). Пусть в начальный момент жидкость находится в покое при некоторой постоянной температуре. Далее начнем подогревать ее снизу. По мере повышения интенсивности нагрева возникает явление конвекции: нагретый нижний слой жидкости расширяется, становится более легким и поэтому стремиться всплыть вверх. На смену ему, сверху вниз, опускается более холодный и плотный слой. Сначала это происходит спорадически: восходящие потоки возникают то в одном, то в другом месте и существуют недолго. То есть конвекция идет в хаотическом режиме. Когда разность температур между верхним и нижним слоем жидкости достигает некоторого критического значения, картина меняется принципиальным образом. Весь объем жидкости разделяется на одинаковые ячейки, в каждой из которых происходят уже незатухающие конвекционные движения частиц жидкости по замкнутым траекториям. Характерные размеры ячеек Бенара в случае экспериментов с жидкостью находятся в миллиметровом диапазоне (10-3 м), в то время как характерный пространственный масштаб межмолекулярных сил приходится на существенно меньший диапазон: 10-10 м. Иначе говоря, отдельная ячейка Бенара содержит около 1021 молекул. Таким образом, огромное число частиц может демонстрировать когерентное (согласованное) поведение.
Ячейки Бенара могут образовываться при соответствующих условиях в любых жидкостях. Такие ячейки обнаружены на поверхности Солнца и предположительно существуют в мантии Земли. Более того, согласно современным астрономическим представлениям, наблюдаемая часть Вселенной также состоит из ячеистых структур – скоплений галактик.
Кроме самоорганизации, другим важным понятием синергетики является понятие бифуркации. Термин «бифуркация» – развилка или разделение надвое – в современной научной терминологии служит для описания особенности поведения сложных систем, которые подвержены воздействиям и напряжениям. В определенный момент такие системы должны сделать критический выбор: пойти либо по одной, либо по другой ветви развития. Простейший пример системы, находящейся в точке бифуркации – это неустойчивое равновесие шарика на поверхности выпуклой сферы большого диаметра. Шарик может скатиться с поверхности сферы в любую сторону и практически в любой момент времени. В рассмотренном примере с ячейками Бенара точкой бифуркации является случайное возникновение право- или левовращательных ячеек в жидкости. Подобная картина наблюдается и при биологической эволюции: случайная мутация, которая приведет к качественной необратимой перестройке организма, есть, говоря языком синергетики, точка бифуркации. Таким образом, понятие бифуркации может использоваться для описания изменений в самых разных системах, в том числе экологических и социальных.
Важнейшими особенностями точки бифуркации является то, что, во-первых, прохождение через нее переводит систему в качественно новое состояние, во-вторых, нельзя заранее знать, по какому именно направлению пойдет развитие системы, то есть бифуркация не детерминирована однозначно.
Следует четко представлять, что основная идея синергетики заключается в том, чтобы описать возможность самопроизвольного (без вмешательства человеческого разума) возникновения упорядочены структур из неупорядоченных или, говоря словами И. Пригожина, «порядка из хаоса»[61].